生物學綜合實驗課程體系設計及實施“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”為例
——以北京師范大學

宋宏濤， 李萬杰， 向本瓊， 朱壁如， 馮利民

(北京師范大學 生命科學學院 生命科學與技術實驗教學中心， 北京 100875)

0 引 言

“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”簡稱“珠峰計劃”[1]，是國家為回應“錢學森之問”而推出的一項人才培養計劃，旨在培養中國自己的學術大師。該計劃由教育部聯合中組部、財政部于2009年啟動。該計劃主要目的是為了貫徹實施人才強國戰略,同時大力推進國家研究型大學拔尖創新人才培養模式和機制的全方位創新,帶動整個高等教育人才培養質量的進一步提高。

我校是入選 “大學生優選計劃” 的 19 所高校之一,同時學校的 “拔尖計劃” 也被列入國家教育體制改革試點項目和北京師范大學 “985 工程”[2]。 從 2010 級開始在全校范圍內選拔優秀學生組建勵耘學院 “基礎理科拔尖學生培養實驗班” ( 以下簡稱 “勵耘實驗班”) ,對入選該計劃的學生實施“寬口徑、厚基礎、高素質、強能力、個性化、開放式”的拔尖學生培養模式[3]。

生命科學與技術實驗教學中心(以下簡稱“中心”)針對生物學勵耘實驗班拔尖學生培養所應具備的特質，對學生的實踐能力培養進行了新的嘗試，在寬口徑基礎理科培養的基礎上，完全打破傳統的“先理論后實驗”的模式，探索“先試驗后理論，再實驗”(Test， Theory and Practice, TTP) 的模式[4]，以期望能更好地培養學生的實驗技能和科學研究思維。基于此中心團隊以生物學實驗技術與方法為主線，整合已有的實驗課程內容，重構了一套全新的針對拔尖學生的實驗課程體系,該實驗課程體系一共包含4個模塊，即“生物綜合實驗I～IV”。在之前的論文中[4-6]，主要探討了針對高年級的拔尖學生所開設的III和IV模塊，以及針對單個綜合實驗(比如植物轉基因技術綜合實驗設計和RNA干擾技術在細胞生物學實驗中的應用)，針對本科4年的整個實驗課程體系進行展示，并就整個體系運行5年來的效果通過問卷調查的形式進行評價。為進一步完善這一培養體系，有必要在試驗實施一階段后及時進行階段性總結。本文將圍繞生物學勵耘實驗班拔尖學生所應具備的實踐能力的培養目標、課程內容、實施情況及其效果評價、不足與展望4方面對該實驗課程體系進行總結和探討。于內是經驗梳理、問題檢討和推陳出新，于外則希望“拋磚引玉”，聽取國內同仁的批評指正。

1 培養目標

國家對于拔尖學生培養定位是培養一批具有國際一流水平的基礎學科領域拔尖創新人才,著眼于創新人才的基礎性培養和超前發展,促進國家基礎科學研究水平的提升,并為其他學科的發展提供源泉和動力[7]。生命科學學院一直以來秉承內涵發展促進質量提升為核心，尊重高等教育發展規律和人才成長規律，為切實解決生物學人才培養中課程設置價值取向不明與專業技能薄弱、學生主動求知與創新欲望不足、以及學生人文素養與國際化視野欠缺的現實問題，從2010年開始不斷對生物學拔尖創新人才的培養模式進行了改革創新[8]。對于拔尖學生來說，其實踐能力培養目標應為培養他們具備扎實的基礎實驗技能、濃厚的科研興趣、制勝的創新思維和突出的解決問題能力，為此特頂層設計了培養拔尖學生實踐能力和創新意識與能力的生物學綜合實驗課程體系，這樣既能解決拔尖學生切實需要的必備的扎實基礎實驗技能，更重要的是還能讓學生盡早了解真實科研過程，盡快由知識、技能學習轉變進入科研狀態，多層次塑造學生們的創新意識與潛質，全方位提升學生們的創新能力，為國內外知名大學和科研機構培養輸送高質量的生命科學基礎研究的后備人才。

2 課程體系的設計

傳統實驗課程都是要求學生先學習相關理論知識及實驗背景，然后進入實驗室動手操作，最終驗證某一個經典實驗結論[9]。而對于拔尖學生這樣一個特殊群體[10-11]來說，首先這些學生都是從全校通過嚴格考核篩選后的精英分子，他們普遍知識面廣、思維活躍、學習能力強，而且能進入生物方向的學生都具備一定的生物學實驗動手能力(具有高中參加過生物奧賽等經歷)。既要有寬厚的基礎，同時必須強化培養學生的探究和解決科研問題的終極能力(即“科研實踐能力[12]”)，這是對于拔尖學生實驗課程提出的更高要求。基于此中心團隊以生物學實驗技術與方法為主線,整合已有的實驗課程模塊，重構了一套全新的針對拔尖學生的由“生物綜合實驗I～IV”4個模塊組成的實驗課程體系，具體的課程內容詳見表1～4。生物綜合實驗I側重于動物學與植物學實驗內容，主要為剛進入實驗班的大一學生進行生物實驗課程的導入及相關宏觀生物學知識與技能體系鋪墊，主要包含植物和動物學相關的結構及形態觀察，同時通過新增模式物種“雞胚發育和擬南芥培養”實驗內容，向學生們滲透模式物種及其個體發育的知識，以及如何操作的基本實驗技能，激發學生對生物學實驗課程的興趣。生物綜合實驗II是培養學生必須要掌握的最基本生物學技能，以微生物學實驗基本實驗操作和遺傳學經典實驗為主線，① 訓練學生最基本的生物學實驗技能(比如無菌操作的概念);② 通過遺傳學實驗項目的訓練進一步了解生物作為一門實驗學科是如何通過具體的操作及分析一步一步揭示真相的(比如孟德爾遺傳定律的發現等)。生物綜合實驗III是綜合實驗能力培養，全面整合生物化學與分子生物學的相關實驗方法，設計了一套完整的從分子克隆開始到最終得到純化產物并制備該蛋白的多克隆抗體的綜合實驗項目，要求學生在該課中嚴格注意前后銜接，實施步驟和分析問題必須全面考慮各個環節方能得到良好的實驗效果，通過這樣的訓練以期培養學生掌控生物學大型綜合實驗的能力。生物綜合實驗IV涉及細胞生物學、生物技術和植物生理學研究技術和方法，圍繞兩個科研問題“抗腫瘤藥物對細胞增殖凋亡的影響”和“如何探究缺素培養植物的生理生化變化”來設計實驗內容，學生需要學會利用多種實驗技術手段，從不同角度、尋找不同證據來完整回答每一個科研問題，以培養學生探究能力及解決問題的能力，這部分實驗設計可參考文獻[5]。

表1 生物學綜合實驗課程體系-模塊I

表2 生物學綜合實驗課程體系-模塊II

表3 生物學綜合實驗課程體系-模塊III

表4 生物學綜合實驗課程體系-模塊IV

3 課程實施及其效果評價

3.1 方案實施概況

本生物實驗課程體系實施自2011年秋季學期開始至2016年秋季結束，共涵蓋2010～2016級勵耘理科實驗班共計117人，課程體系運行合計28080人時數。所有實驗課程采用小班化精英式授課，實驗課班級規模10～25人。實驗課程團隊成員共7人，全部為優選青年骨干教師。

3.2 問卷調查分析

采取了問卷調查和畢業后跟蹤訪問的形式，關注拔尖學生在校期間及畢業后的學術方向、科研成果信息，基于此對實驗課程實施后的效果進行判斷。

問卷調查采用網絡在線方式，調查對象涉及2010～2013級所有勵耘班生物方向的畢業生70名，回收合格問卷42份。調查內容主要圍繞實驗課程方案合理性打分(滿分10分)、師資配備得分(滿分10分)、實驗室硬件狀況得分(滿分10分)等，另外也同時統計了學生基本信息、畢業后學習研究方向、發表學術論文狀況、獲獎信息、國內外會議交流等信息。

調查結果截至2017年6月，實驗課程設置方面的統計結果見圖1，超過90%的學生認可師資配備及實驗室硬件實施，超過75%的學生對于拔尖學生實驗課程設計方案比較認同，但是也看出在實驗課程方案的設計上還存在可提升的空間。拔尖學生的對外交流方面，根據調查，大部分學生都有國內外重要學術會議交流的經歷，包括口頭或海報形式。已畢業學生的去向方面，截止2017年6月，勵耘生物方向拔尖班一共畢業70人，其中64%畢業學生直接進入國內高水平大學和科研院所攻讀博士學位，30%畢業學生直接進入世界一流大學攻讀博士學位。同時，在科研成果方面也表現突出，勵耘學生在本科期間自主申請各類科研創新實驗項目46項(111人次)，其中國家級項目11項和北京市級7項。學生本科在讀期間發表科研論文8篇(其中SCI論文4篇，國內核心4篇)，學生畢業后已發表SCI論文6篇。這些成果進一步驗證了實驗課程培養體系的成效，且與國內兄弟院校的相關評價結果接近[13]。

3.3 案例

2013級的張舒策同學，2013年10月入選生物學勵耘理科實驗班，是典型的厚基礎強能力學生范例，憑借個人在生物學綜合實驗課程中學習到的各類實驗技能及扎實的數理課程基礎，在生命科學領域的各個分支都有涉獵。曾以優秀成績完成了生物學綜合實驗4個模塊的學習，以此同時2014年8月起開始在生命科學學院王友軍教授實驗室接受科研訓練，綜合運用鈣成像、FRET、共聚焦顯微術、高內涵成像、流式細胞術、定量PCR、分子對接等技術進行鈣池操縱鈣內流(store-operated calcium entry, SOCE)的研究，主要從事調控SOCE藥理學工具的開發和篩選工作，建立了一系列技術體系。2016年5～8月于加拿大不列顛哥倫比亞大學藥學系進行科研實習，師從助理教授Dr. Tara Klassen進行磷酸化蛋白組學分析研究工作。除了實驗技術之外，在實驗室工作的經歷也訓練他獨立分析與解決問題，以及如何批判地思考。由他策劃開創的生物勵耘班文獻俱樂部(Journal Club)和勵耘班本科生學術年會目前已成為了我院勵耘學生的品牌活動。2017年8月張舒策獲得全額獎學金繼續在加拿大阿爾伯特大學化學系攻讀博士學位。

圖1 問卷調查統計結果

4 不足與展望

人才培養是高校教育工作的核心，而因材施教是高等教育工作的重要原則[14]。北京師范大學生命科學學院在設計針對拔尖學生的生物學實驗課程培養方案時緊緊遵循上述兩個基本原則，通過整合現有實驗課程資源，并在實驗內容上進行改革創新，構建了相對完整的一套包含經典的宏觀生物學實驗技能訓練、基礎實驗技能訓練、生物學綜合實驗能力培養和探究及解決科研問題能力培養的實驗課程體系。該實驗課程體系突出了對于拔尖學生創新思維和解決科研問題能力的培養訴求，采用精英化小班授課模式。經過5年的運行狀況表明，該實驗課程體系對于拔尖學生在生物學實驗能力培養方面效果明顯，具有一定的示范作用，同時也希望得到國內同行給我們的反饋和建議。

但是，需要清醒地認識到，目前該方案還存在一些問題。其中一個問題在于實驗課時較多(4個模塊加起來一共240學時)，在2017新的教學體系方案中無法保證全部實施。如何精選，去粗取精是下一步需要重點解決的問題。另外，拔尖學生的成長規律不同于普通班學生[11]，這對于基礎性實驗教學模式提出了巨大的挑戰[15]。比如在綜合實驗模塊III和IV在實施期間，基本上所有的學生已經進入導師的科研實驗室，對于教學實驗的開展他們有更高的訴求。比如他們對教學實驗課程興趣不大，很多情況下相關內容已經在導師的實驗室經歷過。他們對于教學實驗的要求發生了轉變，不僅僅是學習一項實驗技術而是要從實驗課程中得到他們在科研實驗室學不到的能力。當前的高等教育過程中,培養和提升生物學類本科生的科研水平也是決定生物學類本科生的教育質量好壞的重要依據之一[16]。上述幾點是在后期實驗課設置中重點考慮的改革方向。

5 結 語

我校勵耘班生物學綜合實驗課程培養方案經過5屆學生的實施取得良好教學效果。這種針對拔尖人才的實驗課程體系模式是否可以適合推廣應用于未來普通學生的實驗教學，將是下一步值得研究探索的課題。